Используя компьютерное моделирование, исследователи из Рурского университета в Бохуме (Германия) показали: молекулы кислорода остаются стабильными при давлении до 1,9 ТПа, что примерно в 19 млн раз выше атмосферного. При более высоких показателях происходит полимеризация молекул кислорода.

Джиан Сан, сотрудник кафедры теоретической химии, считает этот факт абсолютно удивительным. Дело в том, что другие столь же простые молекулы, такие как водород или азот, подобного давления не выдерживают. Удивляет и поведение кислорода в подобных ситуациях: так, его электрическая проводимость сначала увеличивается, а затем уменьшается, прежде чем начнёт возрастать вновь.

Подробно с результатами теоретических изысканий г-на Сана и его коллег можно ознакомиться в журнале Physical Review Letters .

Хорошо известно, что молекула кислорода О 2 содержит двойную связь, которая удерживает оба атома вместе. Молекула же азота N 2 скреплена тройной связью. Вполне резонно было бы предположить, что двойную разорвать куда проще — а значит, именно молекула кислорода должна бы полимеризоваться при более низком давлении. В жизни всё оказалось наоборот, и это немало удивило учёных.

Структуры твёрдого кислорода: полупроводящие полимерные структуры (слева); зигзагообразные цепи (в середине); параллельные металлические слои (справа). Цветом показана плотность заряда. (Иллюстрация Jian Sun.)

Но в конденсированной фазе, когда молекулы становятся ближе друг к другу, в игру вступают силы ближнего взаимодействия, и тут оказывается, что молекула кислорода способна защищать себя от посягательств соседей гораздо эффективнее, чем тот же азот. По мнению г-на Сана, одним из ключевых факторов устойчивости молекулы является наличие неподелённых пар электронов, которые экранируют её от соседей, не позволяя сближаться. В англоязычной литературе такие неподелённые пары в молекулах называют lone pair («одинокая пара») — и есть за что. Даже в обычных условиях молекулярная орбиталь такой пары сильно вытянута и требует как можно больше свободного пространства, расталкивая остальных заместителей. Именно поэтому молекула аммиака NH 3 пирамидальная, а не плоская. Так, у каждого атома кислорода в молекуле по две неподелённые пары, в то время как у азота — одна. Следовательно, сила отталкивания между молекулами кислорода будет выше, что и делает его полимеризацию более трудной. Конечно, не стоит забывать и о силе связей в молекулах: если связи слабые, никакие неподелённые пары не помогут её спасти. Очевидно, речь идёт о правильной комбинации числа обоих факторов — неподелённых пар электронов и энергии межатомного взаимодействия в молекуле.

При высоких давлениях газы вроде водорода, монооксида углерода или азота полимеризуются в цéпи, слои или образуют каркасные структуры. При этом их проводимость обычно возрастает с увеличением давления, вплоть до металлической. А вот с кислородом всё гораздо сложнее. При нормальных условиях он изолятор. Если давление повышается, кислород металлизируется и постепенно переходит в сверхпроводящее состояние. При дальнейшем росте его структура становится полимерной, и кислород превращается в полупроводник. Если давление повышается и дальше, кислород снова приобретает металлические свойства, при этом его структура трансформируется сначала в зигзагообразные цепи, а затем в структуру, содержащую металлические слои (как показано на иллюстрации).

Заметим, что полимеризация малых молекул под воздействием высокого давления интересует научное сообщество в силу того, что помогает понять фундаментальные химические и физические принципы геологических и планетарных процессов. Например, давление в центре Юпитера оценивается в 7 ТПа. Было также обнаружено, что полимерные молекулы азота или углекислого газа обладают высокой удельной энергоемкостью и сверхпрочностью.